MW級風電機組機械液壓混合傳動系統(tǒng)研究

王振宇 許增金 王梓涵

沈陽工業(yè)大學 遼寧沈陽 110000

不可再生能源大量開采，使資源總量大幅度下降，可再生資源的開發(fā)具有重要的意義，全球氣候協(xié)議簽約以后，可再生能源進入了快速發(fā)展階段，可再生能源是通過可再生資源的能量回收所獲得，我們能夠從陽光中獲得能量，也可以從風、潮汐等自然資源獲得更多能量，其中從風中獲得的風能是當前最有價值的，具備最成熟的利用技術，發(fā)展前景也很可觀，能夠有效解決全國能源需求。文章詳細介紹了MW型風電機組原理，同時提出相關控制策略，系統(tǒng)研究風力機中機械液壓混合傳動關鍵技術等。從電機組機械液壓混合傳動系統(tǒng)進行研究，探索更適合風能的控制系統(tǒng)以及策略，最大限度地發(fā)揮風能的優(yōu)勢和價值。

1 MW型風電機組控制原理概述

當風速和切入風速大小存在差異時，只有前者大于后者，才能讓風力發(fā)電機正常啟動，進而對變槳和泵進行有效操控，確保能夠為并網(wǎng)提供更便捷的條件。當實現(xiàn)并網(wǎng)后，必須采取措施控制風力機的速度，同時根據(jù)其實際情況的變化而調(diào)整轉(zhuǎn)速。在實際工作中，額定風速與實際風速應保持一致，這樣才能保證風力機的功率輸出穩(wěn)定。

詳細分析機械液壓MW型風電機組的具體特點，在現(xiàn)有的控制策略基礎上，提出更新的控制策略。通過對風速與切入風速進行有效控制，當前者小于后者時，能夠保持一種順槳狀態(tài)；當前者大于后者，一定程度上會加速風力機的轉(zhuǎn)動，借助變槳與泵的情況進行相對控制，有效確保發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在一個合理的范圍之內(nèi)。在此基礎上能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)，在相關操作之后，對控制泵的變量進行合理控制，滿足風力機的相關要求，進而最大限度地捕獲風力機的實際功率。隨后在分析葉輪轉(zhuǎn)速的實際情況，考察其是否到達指定的額定轉(zhuǎn)速，當?shù)竭_一定標準后，再看風速與額定風速的關系，當前者大于后者，必須借助控制泵的作用，通過調(diào)節(jié)其中的排量來確保相關功率的穩(wěn)定；當前者小于后者，風力機可以借助控制泵來控制葉輪的轉(zhuǎn)速進而保證其能夠在一定相對穩(wěn)定的狀態(tài)下。不僅如此，考慮采用變槳實現(xiàn)功率穩(wěn)定，當風速大于切出風速時，槳葉順槳，風力機停機。

2 MW型風電機組機械液壓混合傳動原理及機組的變速恒頻控制

風電機組機械液壓混合傳動關鍵在于混合，其中涉及混合傳動系統(tǒng)是較為重要的環(huán)節(jié)之一，借助液壓能和機械能的作用進行能量傳送。首先，借助葉輪控制系統(tǒng)獲得充足的風能和機械能；其次，將其中的能量進行分流，其中一部分變成機械能，最后通過發(fā)電機的作用達到能量傳遞。

3 MW級風電機組機械液壓混合傳動系統(tǒng)模型分類

可再生能源能夠?qū)δ茉唇Y構調(diào)整產(chǎn)生很大影響，同時有利于全球環(huán)境保護，為氣候變化產(chǎn)生了一定的影響，推動我國社會可持續(xù)發(fā)展，為我國建設資源節(jié)約型社會奠定了堅實的基礎。當前，風能是再生能源技術中最成熟的技術，也是應用最廣泛的，下文針對風為機傳動鏈展開一定的研究，詳細分析混合傳動風電機不同階段適配的控制策略，針對此問題提出專業(yè)的理論分析，同時設計了相關模型和試驗提高可行性。

為了保證研究的真實性和可操作性，本文選擇專業(yè)的MW級風電機組建模來進行研究和分析，其中涉及以下幾方面。

3.1 風速模型

對于風能而言，風速快慢很大程度上影響能源的分布，所以在研究風能的過程中必須對風速進行研究。而平均風速、斜坡值風速的穩(wěn)定性、陣風分量和湍流分量是其中最重要的影響因素。平均風速主要借助風機額定功率和潮流計算的輸出率進行計算。

3.2 葉輪模型

葉輪是獲得風能的重要設備，葉輪是否正常運轉(zhuǎn)決定風能是否能夠達到一定的標準。而這需要由風輪進行控制和操作，當風輪轉(zhuǎn)速正常，風力機一切指標均保持正常。在實際操作中可以通過調(diào)節(jié)風輪的轉(zhuǎn)速來進行，進而確保能夠滿足一定的需求。

3.3 并網(wǎng)發(fā)電機模型

為了不斷豐富能源結構，替代更多不可再生能源，電力發(fā)電也成為當前較為重要的技術之一，發(fā)電機的使用范圍以及使用面不斷擴大，使用次數(shù)也不斷增加，如火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等?；谄渲匾缘娜找嫱癸@，同步電機并網(wǎng)發(fā)電也是當前重要發(fā)展方向，能夠有效轉(zhuǎn)化功率，電流及電機在正常調(diào)節(jié)過程中實現(xiàn)了功率的轉(zhuǎn)化。

合并風力發(fā)電機具有很多優(yōu)勢，最突出的是不需要使用容量較大的變流器即可以完成相對應的工作任務。一方面，能夠降低成本，避免浪費過多的人力物力財力；另一方面，變流器具有很復雜且不方便的操作流程，如果控制不到位，很可能產(chǎn)生嚴重的后果，不僅電能質(zhì)量存在很大差異，而且電流總量瑣事很嚴重。

4 MW型風電機組仿真策略分析

4.1 變速恒頻控制結構分析

如果想實現(xiàn)風速并網(wǎng)必須符合一定的條件，當風速等其他因素得不到相關要求時則很難進行后續(xù)操作。變速恒頻系統(tǒng)的存在主要用來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速，只有確保兩者在比較接近的范圍內(nèi)，才可以達到合閘并網(wǎng)的要求。當達到這一要求后，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的結果會出現(xiàn)不同，而葉輪能夠進行跟蹤分析，確保風速能夠時刻保持合理。

4.2 機械液壓混合傳動功率分配及效率分析

機械液壓混合傳動通過發(fā)電機來進行工作，根據(jù)不同的傳輸渠道分為液壓路傳遞和機械路傳遞，但二者占據(jù)的比重不同，前者比重較小，后者比重較大，這樣能夠提升混合系統(tǒng)的傳遞效率和速度，從整體上提升風力發(fā)電的水平。除此之外，在能量轉(zhuǎn)化的過程中還有一部分能量主要借助液壓形成，但是其所占據(jù)的比重較小。

5 MW級風電機組機械液壓混合傳動系統(tǒng)控制策略

5.1 并網(wǎng)控制策略

當實現(xiàn)并網(wǎng)時，發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓必須保持相對穩(wěn)定且峰值相同的狀態(tài)，這樣才能保證并網(wǎng)達到相對合理的要求。如果二者數(shù)值出現(xiàn)差距，發(fā)電機和電網(wǎng)產(chǎn)生的回路會帶來一定的沖擊電流，這種電流危害較大，會導致發(fā)電機故障或者電網(wǎng)損害等問題。通過對其中內(nèi)容的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)并網(wǎng)應該滿足以下要求：

(1)電網(wǎng)與發(fā)電機的電壓和相位應該保持一致；

(2)電壓和發(fā)電機的有效值保持一致；

(3)電網(wǎng)與發(fā)電機的相序保持一致。

這三個要求必須同時滿足，這樣才能確保并網(wǎng)的順利實現(xiàn)和完成。如果其中的任意一條未滿足，很大程度上將會造成一定的風險。三個要求相比，第三條比較重要，二者的相序必須保持高度一致。而電壓和有效值允許有一定的偏差，但是也必須保持在一定的范圍內(nèi)，這樣才不會損害發(fā)電機和電網(wǎng)。當前比較流行的幾種發(fā)電機中均含有變流器，首先通過調(diào)節(jié)其中的風力機變槳來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制，然后通過變流器使發(fā)電機和電網(wǎng)的指數(shù)達到規(guī)定要求，并網(wǎng)開關通過閉合裝置來控制開關，實現(xiàn)并網(wǎng)的目的。

風電機組機械液壓混合傳動系統(tǒng)具有一定的特殊性。首先，借助變槳執(zhí)行機構進行控制。其次，利用葉輪控制其中的轉(zhuǎn)速。最后，控制器會對三個要求進行一一核查，確保條件符合完成并網(wǎng)操作。

傳動系統(tǒng)的傳動很大程度上取決于液壓傳動的傳動比，其中的數(shù)值變化會造成整體情況的改變?；诖?，在進行機械液壓傳動型風電機組并網(wǎng)的過程中，應進行如下操作：一方面，通過調(diào)整風速與切入風速的關系來進行，當前者大于后者，變槳執(zhí)行機構進入正常狀態(tài)時，能夠讓驅(qū)動葉片處于最佳角度。其次，在前期準備的基礎上葉輪能夠進行轉(zhuǎn)動，根據(jù)槳葉節(jié)距角的實際來進行一定的改變，讓葉輪盡可能地保持穩(wěn)定。最后，對液壓泵的排量進行移動的控制，進而確保發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

5.2 最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)控制策略

機械液壓MW型風電機組與當前使用的發(fā)電機存在很大不同，針對最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)控制策略的具體分析，主要從這三個方面展開詳細研究，包括恒功率區(qū)控制策略、恒轉(zhuǎn)速區(qū)控制策略及過渡階段。根據(jù)該機械液壓MW型風電機組的特點，本論文采用最佳轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線追蹤法實現(xiàn)風力機最佳轉(zhuǎn)速跟蹤控制。依據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)速進而計算出目標轉(zhuǎn)矩，在此基礎上將目標轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩做差來比較，控制器進而調(diào)節(jié)液壓泵量，閉環(huán)控制其轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速，通過一定的閉環(huán)控制追蹤目標轉(zhuǎn)矩。

5.3 恒轉(zhuǎn)速區(qū)控制策略

對于恒轉(zhuǎn)速區(qū)的控制，主要目標是為了確保葉輪轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，風速在持續(xù)升高的同時，葉輪轉(zhuǎn)速也在隨之升高，當葉輪轉(zhuǎn)速到達額定轉(zhuǎn)速的時候，將風速持續(xù)增大，確保葉輪轉(zhuǎn)速能夠保持在額定轉(zhuǎn)速。此外，加上具有一定柔性的液壓傳動，很大程度上吸收了風速波動導致的轉(zhuǎn)矩波動，為恒轉(zhuǎn)速的控制提供了一定的保障。風速改變的時候驅(qū)動力矩也隨之發(fā)生變化，液壓轉(zhuǎn)矩參與調(diào)節(jié)，進而維持一定的平衡。所以，通過液壓泵一定的調(diào)節(jié)以后，能夠維持風力機的轉(zhuǎn)速恒定運行。

5.4 最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)與恒轉(zhuǎn)速區(qū)過渡階段的控制策略

這兩個階段需要一個過渡，在過渡期間需要一定的控制，避免因為風力機出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩突變影響傳動系統(tǒng)的性能和使用，在最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)，風力越大，風力機的轉(zhuǎn)速就隨之越來越大，葉輪有了加速度，在恒轉(zhuǎn)速區(qū)，風力機在隨著風速加大而加速的同時，葉輪轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速上，葉輪不具有加速度。

本文在研究的過程中借助正余弦曲線來反映相關數(shù)據(jù)。在實際使用的過程中，當葉輪轉(zhuǎn)速到達指定的額定轉(zhuǎn)速后，能夠?qū)θ~輪的加速度進行科學測量。在這種情形下，如果其中的風速繼續(xù)保持上升狀態(tài)，可以借助葉輪的加速度，選擇相對合理的運行周期，將葉輪的轉(zhuǎn)速設定為1/4周期。而當葉輪其中的轉(zhuǎn)速達到一定的極點(正弦曲線最高點)時，借助此時的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速，將葉輪轉(zhuǎn)速控制在1/2周期之內(nèi)。

5.5 恒功率區(qū)控制策略

風速和額定風速之間的關系也是需要控制的，風速大大超過額定風速時，發(fā)電功率也是很大程度上超過了額定功率，這時候就必須采用變槳的方式減弱風速，確保風電機組的使用壽命不被損壞或者減少。此外，液壓傳動系統(tǒng)具備柔性，風速如果過快的話，會帶動轉(zhuǎn)矩波動，液壓傳動此時能夠吸收一定的波動，從而確保風電機的使用，也有利于加強其使用壽命。

詳細分析風力機混合傳動系統(tǒng)不同階段的控制策略，混合傳動系統(tǒng)的初步模型進行建立以后，詳細分析系統(tǒng)中各個參數(shù)，在此基礎上提出控制策略，包含功率分合流控制、轉(zhuǎn)矩控制、變速控制等，進一步說明具體流程，進行一定的理論論證，最后通過相關數(shù)據(jù)信息繪制風電機組各方面工作情況，包括轉(zhuǎn)速、機械液壓轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)相關排量等。

針對風電機組的具體過程中的各階段控制原理進行詳細分析，加上機械液壓混合傳動型風電機組的特點，總結出在各階段風電機組對于風力機的具體控制策略，從而為實際試驗提供理論參考。針對機械液壓混合傳動的相關內(nèi)容進行了詳細分析，總結出機械液壓混合傳動能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，此外也分析了其功率分流的具體情況。

本文研究內(nèi)容包含諸多學科問題，從不同的學科內(nèi)容出發(fā)解決風電機組機械液壓混合傳動系統(tǒng)中存在的問題，能夠?qū)ο鄬膯栴}提出具有針對性的解決方案以及措施，不斷提升風力機自身的功率輸出，盡可能地節(jié)約維修費用。

本文介紹了可再生能源的發(fā)展趨勢以及發(fā)展前景，針對風能利用現(xiàn)狀進一步進行相關研究，同時也對國內(nèi)外風力機的傳動系統(tǒng)進行了總結性分析，著重強調(diào)研究變速運行下風力運行相關技術，對于傳統(tǒng)風電機組存在的不足之處，總結出一種新型風力機混合傳動系統(tǒng)。本篇文章研究了風力機中電液控制齒輪箱，以供參考。